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    RTLS+RFID 倉儲管理系統方案

    一、項目背景

    1.1 背景

    企業的倉儲管理,是對倉庫及倉庫內的物資所進行的管理,是企業為了充分利用所具有的倉儲資源提供高效的倉儲服務所進行的計劃、組織、控制和協調過程。它作為連接生產者和消費者的紐帶,在整個物流和經濟活動中起著至關重要的作用。

    不同的企業規模、產品類別,有著不同的倉儲管理流程和需求,但核心的部分,都還在于進出庫在內的倉庫作業和移庫、以及貨物查找在內的庫存控制作業。而隨著整個生產制造環境的改變,產品周期越來越短,多樣少量的生產方式開始興起,來自市場端的需求對倉儲管理提出了更高的要求。

    簡單、靜態的傳統倉儲管理模式普遍存的物資庫存量巨大、物資跟蹤困難、資金和物資周轉效率較低、人力成本偏高、物流管理的信息和手段落后等缺點,已不能適應新的倉儲管理需求。破除傳統的倉儲管理模式,積極探討新的信息管理技術,在適應企業原有管理流程的基礎上,構建新的倉儲管理信息化系統平臺,協調各個環節的運作,保證及時準確的進出庫作業和實時透明的庫存控制作業,合理配置倉庫資源、優化倉庫布局和提高倉庫的作業水平,提高倉儲服務質量、節省勞動力和庫存空間,降低運營成本,從而增強企業市場競爭力。

    1.2 系統需求

    高質量的倉儲管理(WMS)系統,在于最優化的倉儲資源配置、精確的倉庫作業控制,以及實時有效的倉儲數據流的透傳。在充分了解客戶需求的基礎上,突破性的提出 RTLS+RFID 技術的應用解決方案,構建倉儲管理信息化系統平臺,將實現以下六大功能。

    1.2.1 可視化出入庫管理

    可視化出入庫管理主要涵蓋貨物(托盤)入庫、出庫、庫內存儲的精確位置信息等。倉儲管理(WMS)應能實現倉庫實時數據在管理中心的可視化管理。真正做到實物流與數據流同步。

    1.2.2 電子托盤及庫位管理

    實現托盤和庫位的電子化,是實現可視化、智能化倉儲管理(WMS)的基礎。倉儲管理(WMS)的倉庫中的貨物都是以托盤為單位進行流轉和存放,通過對托盤實現電子化,可實現對每個托盤的身份識別。通過 RTLS 系統可精確定位到叉車在倉庫內的行進路徑?;诠濣c控制方法,實現托盤在庫內存放位置的精確定位和位置信息的實時追蹤。

    通過對倉庫物理空間的數字建模,每個托盤空間位置對應一個數字坐標,實現對貨物信息的精確定位,快速檢索。

    1.2.3 貨物查找

    當需要查找某個貨物時,在系統內里輸入相關貨物信息,系統即可顯示貨物對應的物理空間信息,并可通過叉車車載電腦指引叉車司機快速到達貨物地點,并通過對托盤標簽信息的采集,實現對貨物信息的快速核對確認,大幅提升倉庫管理效率。

    1.2.4 相關系統(MES/WCS/SAP)接口

    倉儲管理系統不應該是一個獨立的系統,相關數據通過一定的接口應該能和企業現有的生產管理(MES)、EPR(SAP)、以及客戶系統(WCS)等相關系統實現及時交互,以滿足企業的實際管理需求

    1.2.5 實現信息流和實物流的統一

    傳統的倉儲管理,因技術條件的限制,不可避免的面臨實時數據滯后,無法實時準確反映倉儲庫存及物流情況,導致信息流和實物流脫節嚴重。而且由于人工識別貨物信息,不僅效率低下且容易出錯,工作量較大,而建設 RTLS+RFID 技術的倉儲管理(WMS)的最終目的,是通過引入有效的技術手段,最終實現企業倉儲管理中信息流和實物流的統一,實現實時可視化的倉儲管理。

    二、技術背景

    2.1 RFID 技術簡介

    2.1.1 技術原理

    RFID 是一種新型的信息技術,可以實現數據與信息非接觸快速傳送。目前RFID 已廣泛應用于 RFID 生產制造、RFID 防偽溯源、RFID 物流與供應鏈管理等領域,給這些領域帶來了很大的技術革新,特別是在 RFID 倉儲管理(WMS)管理領域,因為 RFID 技術的特性,它將極大地提高物流信息的采集速度與物流作業效率。

    RFID(Radio Frequency Identification 射頻識別)是一種非接觸式的自動識別技術,是物聯網的核心技術之一。它通過射頻信號自動識別目標對象(電子標簽)并獲取或記錄相關數據,識別工作無須人工干預,RFID 可工作于各種惡劣環境。一個典型的 RFID 系統由上位機、RFID 讀寫器、天線、電子標簽構成,電子標簽內有數據存儲區用于存儲信息,RFID 讀寫器用于識別電子標簽,讀取或寫入數據,并負責與上位機完成數據交互,而上位機是控制整套系統工作的接口。其系統結構如圖 2-1-1。

    2.1.2 技術優勢

    RFID 技術最大的特點是非接觸高速識別,它以無線方式通信,射頻標簽不用露出電觸點也可以被識讀到,所以即使粘貼這種射頻標簽物品放在包裝材料內部也可以被識別出,RFID 識別系統還可以同時識別多個射頻標簽及高速運動的射頻標簽,這能實現物品流通過程的高效性。具體優勢表現如下:

    ●非接觸讀寫

    只要通過 RFID 系統的閱讀器即可不接觸,直接讀取信息至數據庫內,這比原始通過專門的單證員錄入信息具有非常大的優勢,并可以將物流處理狀態的各種信息寫入標簽,為下一階段工序減少很多信息采集時間。

    ●多標簽同時讀取

    通過 RFID 閱讀器可以一次識讀多個 RFID 射頻標簽,并且一次性把數據由閱讀器傳送到計算機網絡系統,這種數據采集與對物品的驗收速度是條形碼一個個掃描采集與驗收速度的十數倍,更比傳統的利用單據錄入的數據采集與查看貨物名稱來驗收物品方法快得多。通過這種 RFID 閱讀器的多讀性,可實現物品的高效快速流通。

    ●穿透性好

    粘貼有 RFID 射頻標簽的物品放在包裝材料是紙張、木材和塑料等非金屬或非透明的材質也能正常地被閱讀器識別出來,它具有很好的穿透性,這樣可以不用把物品從包裝材料中拿出來即可以實現對它識別,迅速且方便。

    ●標簽儲存數據容量大

    RFID 射頻標簽存放的數據比條形碼大得多,條形碼技術存放的數據只能表示出物品所屬的種類,不能表達出每個種類物品的個體,而 RFID 射頻標簽存儲容量大,可以存放詳細描述物品的信息。

    ●適應環境能力強

    紙張臟污就可能看不到紙張上寫的字,條形碼在黑暗環境下條形碼掃描器就掃不出條形碼的信息,磁卡沒有磁性沒不能刷卡了,而 RFID 技術卻有很強的環境適應能力,RFID 射頻標簽對水、油和藥品等物質有強力的抗污性及對光有很強的免疫力,在臟污的環境下或黑暗的環境之中仍然可以非常容易地采集到射頻標簽內的電子信息。

    ●標簽可重復使用

    RFID 存儲的數據為電子數據,存儲數據的載體為電子芯片,此芯片具有反復寫入功能,可以重復使用,降低項目一次性投入成本。

    ●標簽形狀的小型化和多樣化

    讀取 RFID 射頻標簽不受尺寸大小與形狀的限制,不需要為了讀取精確度而配合紙張的固定尺寸和印刷品質,這比條形碼技術在物品上的運用需要結合物品形狀大小要具有較大優勢。此外,RFID 射頻標簽小型化可以更加靈活地應用在生產線上控制產品的生產。

    ●RFID 技術的系統與數據安全

    將產品數據從中央計算機中轉存到工件上將為系統提供安全保障,避免直接從系統那里讀取數據而大大地提高系統的安全性,并運用加密方法對 RFID 射頻標簽內的數據進行保護,可以保證數據不被讀取。

    2.2 RTLS 技術簡介

    銓順宏 RTLS 系統是一款基于超寬帶技術并融合其他多種無線通訊和網絡通信技術的實時定位產品,提供亞米級實時位置信息服務;銓順宏定位研發了多核心基礎專利技術,解決了傳統超寬帶定位技術面臨的一些基本瓶頸問題,并將這些技術整合到這套 RTLS 系統中;與其它室內定位技術相比,采用了完全不同的架構,具有高精度、低延遲和大規模、可擴展強性等重要技術特點。

    2.2.1 系統組成及工作原理

    RTLS 系統主要由由定位基礎網絡(錨/橋節點)、定位標簽(工牌標簽,資產標簽,傳感器標簽及定位模組等)、定位服務器(支持本地服務器或云服務器兩種模式)及相關軟件系統組成。

    定位原理:首先在覆蓋區域,自定義一個平面直角坐標系(自主選擇坐標原點和各坐標軸的軸向),測量各個錨節點的坐標值,并將坐標值輸入定位服務器,錨節點作為位置基準,發射超寬帶信號,廣播自身的位置信息,定位標簽接收周圍錨節點的信息后,通過自有的處理器來計算各個錨節點到達定位標簽的到達時間差,進而解算出自身的實時位置。

    2.2.2 技術優勢

    ●強大的定位基礎網絡,無線組網,部署簡單便捷 系統提供了高性能的無線基礎網絡,能夠同時實現對定位對象的跟蹤、導航和雙向數據通信,系統幾乎不需要布線(傳統超寬帶定位需要部署時間同步信號觸發線)和校準,大大縮短部署時間和降低人工成本。

    ●先進的專利算法技術,低延時性,較傳統超寬帶定位算法更具優勢 下行 TDOA 時間同步專利算法,在定位對象端解算位置信息數據,數據的低延時性使系統可以用于對車輛(如叉車)的定位,實時觸發相應的告警事件,傳統的超寬帶技術算法(后臺解算)是無法滿足的。

    ●定位精準穩定 先進的專利算法技術優勢,一維典型定位精度 0.5 米,二維典型定位精度0.3 米;銓順宏 RTLS 定位使用的超寬帶信號,抗多徑效應能力更強,更適合各種復雜環境。

    ●系統支持定位對象容量大、易于擴展銓順宏 RTLS 定位標簽具備獨立的 MAC 地址,具有可擴展性,單區域定位對象容量可達到 65000 個。

    2.3 倉儲管理采用 RTLS 加 RFID 技術的意義

    RFID 作為物品身份標識技術,經過多年的發展,無論技術本身還是應用水平,在國內外都取得了長足的發展。尤其在物流倉儲領域的應用,由于其標準完善、技術及應用成熟度高、對倉儲物流管理水平提升效果顯著、以及 RFID 應用成本的逐步降低,正在成為現代高效倉儲物流的標準應用技術之一。

    而 RTLS 技術在室內實現的精確定位功能,也為實現更多精準的庫存管理提供了技術支持。RFID 實現基于貨物身份信息的識別,RTLS 提供貨物位置信息的采集,兩個技術的融合可顯著提升倉庫及物流管理技術水平,企業可獲得良好的投資回報,對當前來說,項目具有示范意義,未來更可有效避免和減少企業信息化升級時的重復投資。

    三、系統解決方案

    3.1 方案設計原則

    ●實際效果適用,個性化應用

    結合不同倉庫的實際情況,在把握大的方向前提下,倉儲管理方案設計時將充分考慮現場場地、運營模式、管理模式、實際倉儲要求等方面的因素,RTLS+RFID 技術的倉儲管理系統做到實際應用效果適用,避免不必要的功能設計。尤其軟件系統開發,應充分貼合倉庫實際管理需求,做到個性化應用,避免不適應、不實用。

    ●管理模式可復制

    系統設計將圍繞倉儲管理中的幾個大的主線,但仍可以充分考慮未來倉庫擴建及擴充的需求。模式應能簡單通過復制和定義,未來快速適合其他倉庫區的管理需求提升。

    ●投資成本可控

    在滿足管理需求的基礎上,系統投資成本也應成為重點需要考慮的部分。最大程度的提升投資效益。應避免不必要的投資浪費,避免未來重復投資,避免對管理效能提升不大的高投入,做到整體系統建設成本可控。

    ●應用風險可控

    系統設計應確保應用風險可控。應用風險主要包括新技術和新的管理模式,對現有管理模式的改變所帶來的管理風險。應充分研究現有的管理模式、操作流程、人員素質、信息化水平等,在提升作業效率、管理效能的同時,盡量做到循序漸進、平穩過渡。避免管理方式改變對企業經營造成的負面影響。

    ●支持未來擴展

    系統在設備配置、技術應用、軟件體系方面,應充分考慮未來的管理發展需要,在未來管理需求增加時,應能支持未來系統功能擴展,平滑過渡。

    3.2 系統體系結構

    ●物理層:

    物理層包括倉庫、庫位、托盤、叉車、貨物、現場作業等?,F場作業包括貨物入庫、出庫、盤點、分揀、調撥、拆分、移庫等。倉庫所有有效托盤要求安裝 RFID 電子標簽,以實現單個庫位(庫區)托盤的精細化管理。叉車安裝定位標簽以及 RFID 車載讀取系統。室內按面積規劃部署定位基站。

    ●采集與交互層:

    含各種現場數據采集和用戶交互設備,包括 RFID 手持終端、RFID 固定式閱讀器等、叉車定位模塊、室內基站。主要提供用戶操作指引,現場數據采集、數據錄入等。為系統提供實時的現場數據采集和交互操作指引。

    ●數據服務層:

    對系統中的設備進行管理,采集數據的收集、緩存、過濾,控制指令及相關數據的收集、分發等。數據服務層以系統軟件服務的方式運行在系統服務器,提供對用戶應用層及數據采集交互層的數據及相關控制指令的數據服務。

    ●企業應用層:

    提供給倉庫調度管理中心、遠程管理中心的計算機軟件用戶管理交互界面,同時提供報表及數據查詢服務。管理中心對倉庫及貨物的計劃制定、管理控制、數據監控等均通過企業應用層提供。

    3.3 系統拓撲圖

    RTLS+RFID 倉儲管理系統拓撲圖

    3.4 倉儲管理軟件架構

    RTLS+RFID 倉儲管理軟件多層架構框圖

    3.5 流程設計

    3.5.1 貨物入庫流程

    ●裝卸點進行卸貨并成垛;

    ●對于來貨已經有托盤的,采用 RFID 打印機直接打印 RFID 標簽并粘貼于貨箱表面;對于來貨沒有托盤的,使用現場藍托盤。貨物擺放到藍托盤上以后,打印條碼粘貼于貨物表面。工作人員使用 RFID 打印機,掃描條碼,掃描藍托盤 RFID 標簽,完成綁定;

    ●貨物過安檢;

    ●過安檢之后,安裝有 RFID 采集設備的叉車將叉起貨物托盤進行入庫。到達庫區后,叉車卸下貨物,此時,系統根據 RTLS 服務給出的定位信息,完成貨物與位置信息的綁定并更新到系統后臺。

    3.5.2 貨物出庫流程

    ●安裝有 RFID 采集設備的叉車首先根據任務到指定地點叉取貨物托盤,根據讀取到的托盤標簽信息,查詢貨物信息,并與任務要求的出貨信息進行比對,不一致則報警提示;

    ●出庫貨物裝卸點安裝有裝卸點位置標簽;

    ●叉車叉取貨物來到裝卸點,讀取到裝卸點位置標簽信息,則表達出庫成功。系統自動更新庫存,并解綁托盤標簽綁定的貨物信息。

    3.6 主要硬件設備安裝及布設

    3.6.1 叉車部署方案

    工業 PC 作為叉車客戶端,完成與數據中心的對接和對叉車讀寫器的控制以及數據交互。

    RFID 讀寫器與 RFID 天線組成叉車 RFID 采集設備,完成對貨物標簽、托盤標簽以及地理位置標簽的數據采集。

    RTLS 定位標簽與倉庫內部署的基站組成定位系統,完成對叉車在倉庫內所在位置的精確定位。

    3.6.2 定位基站

    根據規劃庫區 20000 ㎡,預計供架設定位錨節點 24 個。錨節點可采用電源適配器串聯 POE 供電。

    3.6.3 托盤標簽

    對庫區內用于貨物轉運的托盤安裝托盤標簽,通過該標簽實現與托盤貨物信息的綁定。

    標簽可以選擇不同的封裝,以更好的適合在托盤上的安裝,即保證不會被輕易損壞,同時,也要確保叉車無論從哪個角度叉起托盤,都能保證標簽被有效讀取到。

    本項目為塑料托盤,因此歡迎 PVC 封裝的標簽,再采用膠水粘貼的方式固定在托盤合適位置即可,為保證識別的準確性,推薦一個托盤采用對角各安裝一個共兩個標簽的方式更為可靠。

    四、RFID 硬件選型及清單報價

    4.1 核心硬件選型

    4.1.1-ThingMagic?Vega

    ●內嵌 M5e,串口通訊,滿足實時自動數據傳輸;

    ●滿足于惡劣環境作業標準,用于叉車和車載的車規級工業讀寫器

    ●支持 EPC Gen2 (ISO 18000-6C)協議,DRM 支持,先進的防沖撞和抗干擾性能;

    ●RF 發射功率:獨立的讀寫模式,5 至 30dBm 輸出(1W),±1dBm 可調;

    ●頻率特點:FCC(NA,SA)902-928MHz(可選);

    ●工作溫度 :-40℃to75℃;交流電源適配器:0℃to40℃;

    ●存儲溫度:-40℃to85℃;

    ●確認滿足車載標準;動力熱循環;熱沖擊阻力;動力振動耐久;機械沖擊;濕度溫度循環;防水;連接器耐久;高低電壓;耐靜電 ;

    4.1.2-Antenna 5dbi /RFA915-5R90

    ●UHF RFID 圓極化外置天線:Gain:5dBi;VSWR≤1.5;工作溫度:-40'C to +65'C;軸比:<2;前后比:≥20 dB ;頻率特點:FCC(NA,SA)902-928MHz;SMA connector;0.7KG

    4.1.3-定位

    ●終端定時廣播定位數據包(默認 1 秒 3 次)

    ●定位頻段:channel 2/ 3.7~4.2GHz ;

    ●定位方式:TOF/TDOA(TOF:0 維 TODA:1/2 維)

    ●定位距離:"0 維:>20m、1 維:>100m、2 維:>50m"

    ●POE or AC/ DC (二選一)

    ●工作溫度:-40~+85℃;儲存溫度:-30~70℃

    ●工作功耗:額定 1.5W 峰值 5W;POE:48V / DC12V~48V

    ●天線接口:千兆以太網 、WIFI、4G(三選一)報價默認為以太網或 WIFI

    ●防護等級:IP68、符合油氣防爆

    ●天線外置:UWB(3dbi)、WIFI(3dbi)、4G(5dbi)

    ●"擊穿電壓:6V

    ●反向關斷電壓:5V

    ●靜電放電電壓:±15kv

    ●"鉗位電壓:56V

    ●變阻區電壓:68(61~75)V

    ●浪涌電流:1KA"

    ●基站尺寸:237*153*48

    ●支持歷史軌跡記錄回放

    4.1.4-車載定位標簽

    ●無線標準 802.15.4

    ●通訊方式 UWB

    ●定位頻段 channel 2/ 3.7~4.2GHz

    ●通訊距離 >100m (無遮擋)

    ●充電方式 "3600 毫安時 2650 電池

    ●不可充電電池,(電池 可定制)"

    ●待機時間 12 個月(不可充電)(典型)工作時間 6 個月(1HZ)

    ●儲存溫度 -40~85℃

    ●工作溫度 -30~70℃

    ●工作電流 10mA

    ●工作電壓 3.7V

    ●休眠待機電流 <0.4mA

    ●靜態電流 0.0002μA

    ●防水等級 IP65

    ●防爆等級 BT6(可定制)

    ●按鍵報警 無

    ●重量 600g

    4.1.5-叉車工業平板

    ●整機尺寸:280x187x22mm

    ●屏幕尺寸:10.1 inch 16:10,分辨率 1200x1920

    ●亮度:330cd/m2

    ●觸摸屏:10 點電容屏,G+G,硬度 7H 以上,防刮花

    ●CPU:intel Skylake M3-6Y30 4M Cache,2,20GHz

    ●RAM:4GB DDR3L

    ●WIFI:WIFI 802.11(a/b/g/n/ac)頻率 2.4G+5.8G

    ●接 口 :DC x1 TF 存 儲 卡 座 x1 USB2.0x1

    ●USB3.0x1 HDMIx1 DB9 RS232 串口 x1 網口 x1

    ●系統:windows 10 Home 64bit

    4.1.6-RFID打印機

    ●精準的標簽天線定位技術,可讀寫打印最小高度為 12 毫米的電子標簽,同時支持柔性抗金屬電子標簽讀寫打印,靈活的耗材兼容性,應用領域更加廣泛,目前市面上支持最小嵌體間距標簽讀寫的打印機。

    ●獨創先打印后讀寫電子標簽技術,100%標簽合格率,杜絕不良標簽被誤用。

    ●一鍵式標簽天線定位和首張標簽打印功能,操作簡單,高效便利,標簽零浪費,使用成本降至更低。

    ●HEAT?智能熱均衡控制技術,實時智能的對打印頭進行加熱控制,延長打印頭使用壽命;同時將打印機綜合加熱效率提升至 30%以上,降低能耗,綠色環保。

    4.1.7-RFID手持機

    ●采用 5.0 寸 IPS 屏, 分辨率 720*1280, 高清全視角,陽光下可見,并搭配高性能大猩猩三代二次強化玻璃,支持多點電容觸摸屏;

    ●用戶可根據實際需求選擇不同功能模塊,實現對一維碼、二維碼、RFID 數據的采集,并通過 USB、GPRS、4G、WIFI、藍牙等多種有線無線通信方式,實現采集數據的快速有效傳輸;

    ●采用 ANDROID 7.0 嵌入式操作系統,界面友好,操作簡單,使用便捷,掃描、識別結果直觀;設備輕便, 適合單手工作,可靈活地應用于任何環境,簡化業務運作流程,提高工作效率。